Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Вопрос о составе ядра атома оставался открытым долгое время. Дело в том, что для исследования строения ядра необходимы были устройства, позволяющие как регистрировать отдельные частицы и ядра, так и исследовать их взаимодействия с веществом. Такие приборы называются детекторами. Мы с вами рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды детекторов — это дискретные и трековые.

Дискретные детекторы позволяют сосчитать пролетающие частицы и определить их энергию.

А трековые детекторы позволяют наблюдать и фотографировать следы (или, как их ещё называют, треки) частиц в рабочем объёме детектора.

При изучении явления радиоактивности мы с вами говорили о том, что оно было открыто Антуаном Беккерелем по действию ядерных излучений на фотопластинку. В настоящее время этот метод исследования в области физики элементарных частиц и космических излучений, называется методом толстослойных фотоэмульсий.

Суть этого метода достаточно проста. Заряженная частица большой энергии при движении в слое специальной желатиносеребрянной фотоэмульсии ионизирует атомы микрокристаллов бромида серебра. Цепочка модифицированных таким образом кристалликов образует скрытое изображение вдоль траектории движения частицы. После проявления появляется изображение следов первичной частицы и всех заряженных частиц, возникших в эмульсии в результате ядерных взаимодействий с первичной частицей. По толщине следа и его длине можно определить заряд частицы и её энергию.

Преимущество фотоэмульсии в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

К минусам же можно отнести то, что из-за большой плотности фотоэмульсии треки частиц получаются очень короткими (порядка 10 мкм для альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами).

Также занесём в минус и то, что информации на фотопластинке получается много, и, как следствие, её очень непросто обрабатывать. Поэтому, лаборатория, в которой производится эксперимент, для более быстрой обработки разрезает пластинку с фотоэмульсией на фрагменты, которые отсылаются родственным лабораториям на первичную обработку. В них каждый фрагмент разрезается на очень тонкие слои (порядка одного микрометра). Затем по срезам восстанавливается пространственная структура треков частиц, попавших на фотоэмульсию.

После метода фотоэмульсий для ионизирующих излучений Хансом Гейгером совместно с Эрнестом Резерфордом в 1908 году был изобретён газоразрядный счётчик. Позже (в 1928 году) Гейгер усовершенствовал прибор совместно с немецким физиками Вальтером Мюллером.

Газоразрядный счётчик Гейгера-Мюллера — это один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Хорошие счётчики позволяют регистрировать более десяти тысяч частиц в секунду с помощью пересчётных устройств.

Газоразрядный счётчик состоит из катода (металлической или стеклянной трубки, внутренняя поверхность которой покрыта металлическим слоем) и анода (тонкой проволоки, расположенной по оси трубки). Трубка заполнена газом (обычно аргоном). Заряженная частица, пролетая в газе, ионизирует его атомы. Электрическое поле напряжением порядка 500 В между катодом и анодом ускоряет электроны до энергии, необходимой для ионизации газа. Возникает лавина несамостоятельного разряда, видимая (если баллон прозрачный) даже невооружённым глазом. В цепи проходит импульс тока, в том числе через резистор, который регистрируется считывающим устройством. До пролёта частицы всё напряжение от источника сосредоточено между катодом и анодом. Как только пойдёт ток, основная часть напряжения перераспределится на резистор, а малое оставшееся напряжение между нитью и катодом не сможет поддерживать разряд и он прекратится. Таким образом, счётчик снова готов к регистрации других частиц.

Счётчики Гейгера-Мюллера регистрируют практически все влетающие в него электроны. Но они имеют ряд недостатков. Так, эффективность регистрации гамма-квантов составляет всего около 1 %. А для регистрации тяжёлых альфа-частиц в трубке необходимо дополнительно делать очень тонкое «окошко», прозрачное для альфа-частиц. Кроме того, прибор позволяет регистрировать только факт пролёта через него частицы.

Ещё с одним из дискретных методов регистрации частиц мы знакомились при рассмотрении опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц — это метод сцинтилляций. Суть данного метода такова. На экран наносится тонкий слой сернистого цинка. Если об этот экран ударяется частица, то она вызывает на экране вспышку света, которую можно рассмотреть в лупу или микроскоп. По числу таких вспышек можно, например, подсчитать число альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом за определённый промежуток времени.

Наиболее простое осуществление этот метод находит в спинтарископе Крукса. Основными деталями спинтарископа являются экран, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня примерно напротив середины экрана. Расстояние от препарата до экрана составляет порядка одного — двух миллиметров (1—2 мм). При падении альфа-частицы на кристалл сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.

Бета-частицы наблюдать таким методом сложно, так как они, имея малую массу и обладая малой кинетической энергией, вызывают очень слабое свечение экрана.

В современных сцинтилляционных счётчиках регистрация световых вспышек производится с помощью приборов, в которых за счёт явления фотоэффекта энергия световой вспышки преобразуется в импульс электрического тока, который усиливается и затем регистрируется.

Для измерения доз ионизирующих излучений применяется так называемая ионизационная камера. Она является простейшим газонаполненным детектором и представляет собой систему из двух или трёх электродов, объём которой заполнен газом.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются, и регистрируется ток, пропорциональный среднему энерговыделению. В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Отличительной особенностью ионизационной камеры является сравнительно малая напряжённость электрического поля в газовом промежутке. Однако с помощью ионизационной камеры можно измерить лишь мощность дозы излучения и не более того.

Как видим, практически все счётчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения частицы и фиксировать некоторые её характеристики. Наиболее наглядная и точная информация о процессах микромира получается с помощью камеры Вильсона и пузырьковой камеры. В них заряженная частица оставляет трек, наблюдаемый визуально или фотографируемый.

В 1894 году шотландский физик Чарлз Вильсон пытался воспроизвести в своей лаборатории два атмосферных явления: корону и глорию. Во время опытов с влажным, обеспыленным воздухом он обнаружил, что в этом воздухе очень часто образуются капельки. В 1897 году смог показать, что при определённых условиях каждый заряженный ион воздуха становится центром конденсации паров воды, так что его присутствие становится видимым для глаза. Исходя из этого, в 1912 году он изобрёл прибор для наблюдения и фотографирования следов (или треков) заряженных частиц — камеру Вильсона (туманную камеру), за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1927 году.

Камера Вильсона состоит из цилиндрического сосуда, верхние стенки которого сделаны из прозрачного материала. Внутри цилиндра находится подвижный поршень, покрытый тёмной тканью, смоченной спиртом или водой. При быстром (адиабатном) расширении воздух в камере охлаждается и пар становится пересыщенным. Если в этот момент в камере пролетает заряженная частица, то вдоль её траектории образуется цепочка ионов, которые становятся центрами конденсации пересыщенного пара, образуется трек, аналогично следу за реактивным самолётом в небе. При освещении трек становится видимым на чёрном фоне и фотографируется. Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине её энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны — более тонкий, а электроны — пунктирный.

Советские физики Пётр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру Вильсона в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. Зная магнитную индукцию поля, можно определить отношение заряда частицы к её массе.

В своё время Резерфорд назвал камеру Вильсона «самым оригинальным и изумительным инструментом в истории науки».

В 1952 году для регистрации процессов с частицами больших энергий американским физиком Дональдом Глазером была изобретена пузырьковая камера, в которой рабочим веществом является жидкость (например, жидкий водород или пропан).

Эта жидкость находится под большим давлением, предохраняющим её от закипания. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение примерно 0,1 с находится в неустойчивом состоянии. Для закипания ей нужны центры парообразования. Эти центры создаёт пролетающая заряженная частица в виде цепочки ионов, на которых образуются пузырьки пара, составляющие трек частицы.

Из преимуществ пузырьковой камеры перед камерой Вильсона выделим большую плотностью рабочего вещества, из-за чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Поэтому частицы, обладающие большой энергией, застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и её энергию, а также наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции. Однако подготовка пузырьковой камеры довольно трудоёмка. Но ещё более трудна обработка информации, полученной с её помощью.

Ещё одним трековым детектором является искровая камера, в которой трек частицы образуется цепочкой искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения. Искровая камера обычно представляет собой систему параллельных металлических электродов, пространство между которыми заполнено инертным газом.

В местах прохождения заряженной частицы между пластинами за счёт ионизации ею атомов среды возникают свободные носители зарядов, что вызывает искровой пробой. Совокупность этих последовательных разрядов формирует трек частицы, который может быть сфотографирован.

В заключении рассмотрим ещё один интересный счётчик, действие которого основано на принципе, существенно отличающемся от вышеописанных нами — это черенковский счётчик. Ещё в 1934 году советский физик Павел Алексеевич Черенков, работая под руководством Сергея Ивановича Вавилова, обнаружил, что при движении частицы в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, возникает длительное, но слабое свечение (излучение Вавилова-Черенкова).

Для объяснения происхождения этого свечения рассмотрим ряд последовательных положений электрона, движущегося с постоянной скоростью по прямой. Каждую точку траектории заряженной частицы следует считать источником вторичной электромагнитной (световой) волны, возникающей в момент прохождения через неё электрона. Так как скорость электрона больше скорости света в данной среде, то эти волны появляются только позади электрона.

Возникновение излучения Черенкова аналогично возникновению ударной волны в виде конуса Маха от тела, движущегося со сверхзвуковой скоростью в газе или жидкости, например от сверхзвукового самолёта.

Черенковские счётчики пригодны только для регистрации частиц с релятивистскими скоростями. По углу между направлением движения частицы и направлением излучения можно с точностью до десятых долей процента определить скорость частицы.